今天給大家分享的是陶瓷電容失效模式及機(jī)理分析。

陶瓷電容是一種定值電容，其中電介質(zhì)由陶瓷材料制成。

陶瓷電容由兩個(gè)或多個(gè)交替的陶瓷層和一個(gè)金屬電極層組成，陶瓷材料的電性能和應(yīng)用由其成分決定。

但是當(dāng)陶瓷電容出現(xiàn)故障時(shí)，又是什么原因？

這里從兩個(gè)方面進(jìn)行分析：

• 1、陶瓷電容失效模式

• 2、陶瓷電容失效機(jī)理分析

一、陶瓷電容器失效模式

陶瓷電容耐壓的典型故障模式有以下三種：

1、第一種方式：電極邊緣陶瓷穿透（擊穿點(diǎn)在銀面邊緣）

（1）可能的原因：

• 粉劑及其配方問題

• 平邊致密性差

電極邊緣陶瓷穿透

（2）過程中失效模式的具體表現(xiàn) ：

• 銀邊邊緣的針孔

• 銀面邊緣有針孔，該位置部分陶瓷爆裂。

• 裂紋（先是針孔，后是裂紋，元件表面有燒蝕和碳化的小黑點(diǎn) ，裂紋是新的痕跡。）

（3）具體措施：

及時(shí)向前端流程反饋信息，要求其改進(jìn)和提高地面的整體抗壓水平 。

2、第二種方式：陶瓷芯片沿邊導(dǎo)電或陶瓷芯片邊沿?cái)嗔褤p壞（擊穿點(diǎn)在元件一側(cè)）

陶瓷芯片沿邊導(dǎo)電或陶瓷芯片邊沿?cái)嗔褤p壞

（1）可能的原因：

• 素地表面有污漬，如銀、助焊劑、油、 焊渣等。

•  油漆中有導(dǎo)電雜質(zhì)

• 油漆中有氣泡

• 涂料密度差

• 涂層包封層固化不充分

（2）過程中失效模式的具體表現(xiàn) ：

• 十字弧

•  收起

• 側(cè)爆

（3）具體的應(yīng)對(duì)措施：

• 元素外觀（擴(kuò)散、側(cè)銀）控制；

• 通量水平適度控制，瓷磚浸入深度控制；

• 及時(shí)徹底清理錫槽內(nèi)的錫渣等雜質(zhì)；

• 涂層絕緣質(zhì)量證明書；

• 涂層封裝和固化過程的質(zhì)量保證 。

3、第三種方式：電極中的陶瓷芯片被擊穿（擊穿點(diǎn)在元件中心（銀面）及其周圍位置）

（1）可能的原因：

• 密實(shí)度很差

• 有裂紋、氣泡、導(dǎo)電雜質(zhì)等。

（2）過程中失效模式的具體表現(xiàn) ：

• 元件中心及其周圍的針孔

• 元件中心及其周邊有針孔。與此同時(shí)，這個(gè)位置的一些陶瓷爆裂。

• 裂紋（先針孔后裂紋，元件表面有燒蝕和碳化的小黑點(diǎn)，裂紋為新的痕跡。

（3）具體應(yīng)對(duì)措施：

• 元素外觀（擴(kuò)散、側(cè)銀）控制；

• 通量水平適度控制，瓷磚浸入 深度控制；

• 及時(shí)徹底清理錫槽內(nèi)的錫渣等雜質(zhì)；

• 涂層絕緣質(zhì)量證明書；

• 涂層封裝 和固化過程的質(zhì)量保證 。

電極中的陶瓷芯片被擊穿

二、陶瓷電容失效的 7 個(gè)原因

1、濕度對(duì)電氣參數(shù)劣化的影響

當(dāng)空氣中的濕度過高時(shí)， 水膜會(huì)凝結(jié)在陶瓷電容外殼表面，降低陶瓷電容的表面絕緣電阻 。濕氣還會(huì)滲入半密封電容中的電容介質(zhì) ，降低電容介質(zhì)的絕緣電阻和絕緣能力。

高溫、高濕環(huán)境對(duì)陶瓷電容特性 劣化的影響是巨大的。

干燥除濕后電容的電性能增強(qiáng)，但水分子電解的反響無法消除。例如，電容在高溫下工作， 水分子被電場電解成氫離子（H+）和氫氧根離子（OH-），導(dǎo)致鉛根部發(fā)生電化學(xué)腐蝕。即使干燥除濕，引線也無法恢復(fù)。

2、 銀離子遷移的后果

大多數(shù)無機(jī)介電陶瓷電容都使用銀電極。當(dāng)半密封電容暴露在高溫下時(shí)， 滲透電容的水分子會(huì)引起電解。

陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，銀離子與氫氧根離子相互作用生成氫氧化銀；陰極發(fā)生還原反應(yīng)，其中氫氧化銀與氫離子反應(yīng)生成銀和水。

陽極的銀離子通過電極反應(yīng)不斷還原到陰極，形成不連續(xù)的金屬銀顆粒，通過水層連接，呈樹狀延伸到陽極。

銀離子不僅在無機(jī)介質(zhì)表面遷移，而且向內(nèi)部擴(kuò)散，增加了漏電流。 在極端情況下，可以使用兩個(gè)銀電極之間的完全短路 ，從而導(dǎo)致陶瓷電容失效。

離子遷移會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞正極表面的銀層 。

在引線焊點(diǎn)和電極表面的銀層之間有一種具有 半導(dǎo)體性質(zhì)的氧化銀，增加了非介質(zhì)電容的等效串聯(lián)電阻，增加了金屬元件的損耗，提高了電容器的性能，損失的正切值急劇增加。

陶瓷電容的電容隨著正極有效面積的減小而減小。 在無機(jī)介電電容的兩個(gè)電極之間的介電體表面上存在 氧化銀半導(dǎo)體會(huì)降低表面絕緣電阻。當(dāng)銀離子遷移嚴(yán)重時(shí)，兩個(gè)電極之間會(huì)形成樹枝狀銀橋，大大降低電容的絕緣電阻。

總而言之，銀離子遷移不僅會(huì)降低開放式無機(jī)介電陶瓷電容的電性能，而且還可能導(dǎo)致介電擊穿場強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致陶瓷電容失效。

值得注意的是， 銀電極低頻陶瓷獨(dú)石電容由于銀離子遷移而比其他類型的陶瓷介質(zhì)電容器 發(fā)生故障的頻率要高得多。

在銀電極與陶瓷介質(zhì)的初始燒結(jié)過程中，銀參與陶瓷介質(zhì)表面的固相反應(yīng)， 并滲入陶瓷-銀觸點(diǎn)，產(chǎn)生界面層。

如果陶瓷介質(zhì)的密度不夠，銀離子不僅可以在陶瓷介質(zhì)的表面遷移，而且在水分滲透后可以穿過陶瓷介質(zhì)層。多層層壓結(jié)構(gòu)有多個(gè)間隙，電極定位困難，介質(zhì)表面的邊緣數(shù)量有限。

當(dāng)外電極覆蓋在疊層兩端時(shí)，銀漿滲入間隙，降低介質(zhì)表面的絕緣電阻，在電極之間形成間隙，當(dāng)銀離子遷移時(shí)，通道變短，短路現(xiàn)象很常見。

3、陶瓷電容在高溫條件下的擊穿機(jī)理

當(dāng)半密封陶瓷電容在高濕度環(huán)境中使用時(shí)，擊穿故障是一個(gè)常見的嚴(yán)重問題。

發(fā)生的兩種類型的擊穿是介電擊穿和表面電弧擊穿。根據(jù)發(fā)生的時(shí)間，介電擊穿可分為早期擊穿或老化擊穿。

早期故障揭示了陶瓷電容介電材料的缺陷和制造技術(shù)，由于這些缺陷，陶瓷電介質(zhì)的介電強(qiáng)度顯著降低。

陶瓷電容在耐壓試驗(yàn)期間或在運(yùn)行初期，由于電場在高濕度環(huán)境中的作用，會(huì)發(fā)生電擊穿。電化學(xué)擊穿是最常見的老化擊穿類型。由于陶瓷電容中銀的遷移，電解老化擊穿已成為一個(gè)相當(dāng)普遍的問題。

銀遷移產(chǎn)生的導(dǎo)電枝晶會(huì)局部增加漏電流，導(dǎo)致熱擊穿和陶瓷電容破裂或燒壞。

由于擊穿過程中局部發(fā)熱較高，而較薄的管壁或較小的陶瓷體容易燒毀或破裂，因此熱擊穿最常發(fā)生在管狀或圓盤狀微型陶瓷介電電容中。

此外，在主要由二氧化鈦構(gòu)成的陶瓷介質(zhì)中 ， 二氧化鈦在應(yīng)力環(huán)境下可能發(fā)生還原反應(yīng) ，導(dǎo)致鈦離子從四價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)槿齼r(jià)。

當(dāng)陶瓷電介質(zhì)老化時(shí)，陶瓷電容的介電強(qiáng)度會(huì)大大降低，可能導(dǎo)陶瓷電容故障。因此，這些陶瓷電容的電解擊穿比不含 二氧化鈦的陶瓷介質(zhì)電容更嚴(yán)重。

銀離子的遷移使陶瓷電容電極間的電場發(fā)生畸變，并且由于高濕度環(huán)境下陶瓷介質(zhì)表面的冷凝水膜，陶瓷電容邊緣表面的電暈放電電壓急劇下降，導(dǎo)致表面電弧現(xiàn)象。

在極端情況下，銀離子的遷移會(huì)導(dǎo)致陶瓷電容表面電極之間的電弧擊穿。表面擊穿受電容結(jié)構(gòu)、電極間距離、負(fù)載電壓、保護(hù)層疏水性和透濕性等參數(shù)的影響。

邊緣表面電極之間產(chǎn)生電弧的主要原因是電介質(zhì)中殘留的邊緣量很小， 離子遷移在潮濕環(huán)境中工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面水層，使陶瓷電容的邊緣表面絕緣。銀離子遷移的形成和發(fā)展需要一段時(shí)間 ，因此，耐壓試驗(yàn)中的主要失效模式是介質(zhì)擊穿。

然而，經(jīng)過 500 小時(shí)的測試，唯一的故障模式是邊緣表面之間的過度電弧擊穿。

4、電極材料的改進(jìn)

銀電極長期以來一直用于陶瓷電容。

陶瓷電容失效的主要原因是銀離子遷移和由此導(dǎo)致的含鈦陶瓷電介質(zhì)加速老化。

在陶瓷電容器的制造中，一些生產(chǎn)商已經(jīng)使用 鎳電極代替銀電極，并且在陶瓷基板上使用了化學(xué)鍍鎳。陶瓷電容的性能和可靠性得到提高，因?yàn)殒嚨幕瘜W(xué)穩(wěn)定性 優(yōu)于銀，并且電遷移率低。

例如，以銀為電極的單片低頻陶瓷介質(zhì)電容，由于銀電極與陶瓷材料在900℃下一次燒結(jié)，陶瓷材料無法獲得致密的陶瓷介質(zhì)，因此孔隙率較大，孔隙率大。

另外， 銀電極被廣泛使用，助溶劑氧化鋇會(huì)滲透到瓷體內(nèi)部，依靠氧化鋇和銀在高溫下良好的滲透“互熔”能力，在電極和介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生熱擴(kuò)散，產(chǎn)生肉眼可見的“瓷器”。吸收” 銀和氧化鋇進(jìn)入瓷體后，介質(zhì)的有效厚度大大降低，導(dǎo)致絕緣電阻和產(chǎn)品可靠性下降。

使用銀鈀電極代替一般含有氧化鋇的電極，材料配方中加入1%的5#玻璃料提高獨(dú)石電容的可靠性。可以防止金屬電極在高溫首次燒結(jié)過程中熱遷移到陶瓷介電層，使陶瓷材料更快地?zé)Y(jié)和致密化，提高產(chǎn)品的性能和耐用性。與原工藝和介質(zhì)材料相比，電容的可靠性提高了1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。

5、疊層陶瓷電容的斷裂

斷裂是疊層陶瓷電容最普遍的失效模式，這是由電介質(zhì)的脆性決定的。

由于疊層陶瓷電容直接焊接在電路板上，因此會(huì)立即承受電路板的機(jī)械應(yīng)力，而引線式陶瓷電容可能會(huì)通過引腳吸收機(jī)械應(yīng)力。

因此，各種熱膨脹系數(shù)或電路板彎曲引起的機(jī)械應(yīng)力將成為疊層陶瓷電容破裂的主要原因 。

6、疊層陶瓷電容的斷裂分析

一旦疊層陶瓷電容發(fā)生機(jī)械破裂，斷裂處的電極絕緣分離將小于擊穿電壓，導(dǎo)致兩個(gè)或多個(gè)電極之間發(fā)生電弧放電，導(dǎo)致疊層陶瓷電容完全失效。

盡量減少線路板的彎曲，減少陶瓷貼片電容對(duì)線路板的應(yīng)力，減小疊層陶瓷電容與線路板的熱膨脹系數(shù)之差，機(jī)械應(yīng)力是主要方法以防止疊層陶瓷電容的機(jī)械斷裂。

通過選擇小封裝尺寸的陶瓷電容 ，可以減少層壓陶瓷電容與電路板之間的熱膨脹系數(shù)差異引起的機(jī)械應(yīng)力。

例如，鋁基電路板應(yīng)采用盡可能小的封裝?？梢杂脦讉€(gè)并聯(lián)或疊片來解決，也可以用管腳封裝形式的陶瓷電容來解決。

7、疊層陶瓷電容的電極端子熔噴

波峰焊層疊陶瓷電容時(shí)， 電極端子可能會(huì)被焊錫熔化 。根本的解釋是波峰焊疊層陶瓷電容與高溫焊錫接觸的時(shí)間過長。

目前市場上的疊層陶瓷電容分為兩種：適合回流焊 的和適合波峰焊的，極端磁頭熔化現(xiàn)象。

解決方法很簡單：在使用波峰焊工藝時(shí)，盡量使用貼合波峰焊工藝的疊層陶瓷電容器 ，或者盡量避免使用回流焊工藝。

（來源于：Candy，原文鏈接：
https://www.utmel.com/blog/categories/capacitors/ceramic-capacitor-failure-mode-and-mechanism-analysis）